影响摩擦的因素分析

金属变形过程中，待变形金属在模具的作用下发生形状与尺寸的变化。因此，金属和模具间存在的摩擦行为是影响金属变形的重要影响因素。变形过程中的摩擦与能耗有关，大多数摩擦功都转化为热能释放掉了。摩擦与成形件的精度和组织状态有关，摩擦影响金属的流动，“消极”摩擦将阻止金属流动，降低成形精度，而“积极”摩擦将有利于金属流动，提高成形精度，同时，摩擦又是引起模具磨损失效的主要原因，摩擦增加成形载荷。在摩擦影响金属流动时，将导致变形金属接触界面附近金属变形程度、位错密度等，从而，影响金属表面硬度、耐磨性和疲劳性能的变化。

金属成形中的摩擦准则主要包括库仑摩擦准则、剪切摩擦准则和组合摩擦准则。众所周知，若摩擦应力（单位表面积上的摩擦力）与接触面上的正应力成正比，则通常采用库仑摩擦准则，其表达式为

τ＝μp （6-62）

式中 τ——摩擦应力；

μ——摩擦系数；

p——接触表面的正应力。

剪切摩擦准则认定最大摩擦应力是常量，且不应超过材料的纯切应力Y/3，也就是说单位摩擦力只随材料的屈服应力变化而变化。采用库仑摩擦准则时，所计算的金属表面的摩擦应力随正压力及摩擦系数增加而增大，以至于有可能超过材料所能承受的纯切应力，这与大变形状态下的金属变形情况不符，因此，当摩擦应力较大的情况下应采用剪切摩擦准则，其表达式为

式中 τ——摩擦应力；

m——摩擦因子；

Y——材料的流动应力。

在接触表面压强大时，特别是金属变形剧烈的成形中应采用剪切摩擦准则。当表面压强小时，即采用库仑摩擦准则计算出的摩擦力小于材料自身的切应力时，采用库仑摩擦准则计算出的摩擦应力更准确。通常在板材成形过程中，采用库仑摩擦准则，而在热态体积成形中采用剪切摩擦准则。同时，还可以将两种摩擦准则进行组合，形成组合摩擦准则（Com-bined Friction Law），其计算公式为

组合摩擦准则使用中压强和摩擦应力之间的关系如图6-81所示，从图中可以看出在接触压强大的情况下，采用剪切摩擦准则来计算摩擦应力；压强小时，采用库仑摩擦准则来计算摩擦应力。(www.xing528.com)

在金属成形计算和仿真中，如何确定摩擦条件（摩擦系数μ和摩擦因子m）成为获得精确计算结果的重要因素。摩擦条件通常采用计算或模拟结果与试验结果相对比的方法确定。由于金属成形中具有接触压强很高（可达到2500MPa），摩擦和金属变形会导致接触表面的温度升高，变形后工件的表面伸长率大（可达3000%）等特点，因此，为了使摩擦系数和摩擦因子的确定更准确，一些类似金属成形方法可以用来进行摩擦条件的测量，如圆环压缩、正挤压、双杯挤压和镦挤锻造等，如图6-82所示。其中，圆环压缩和双杯挤压通过变形后试件的尺寸来判定摩擦条件，而正挤压采用成形力的方法来判定摩擦条件，镦挤锻造方法成形力和成形工件的形状都受摩擦条件影响，因此，两者都可用来判定摩擦条件。其中，需要说明的是双杯挤压是针对冷挤压的测试方法，圆环压缩是判断热锻成形的主要测试手段。板材变形中摩擦系数的测定可采用平板滑动试验、拉弯摩擦试验等，其测试原理为采用力传感器测出压力和摩擦力，然后根据摩擦力公式，求出摩擦系数，如图6-83所示。

图6-81 组合摩擦准则中压强和摩擦应力的关系

图6-82 体积成形中摩擦因子的测试方法

a）圆环压缩 b）正挤压 c）双杯挤压 d）镦挤锻造

需要指出的是，不同的摩擦模型针对试件和润滑条件测试出的摩擦系数或摩擦因子可能不同，金属成形过程中相同的试样，不同的测试方法可得到不同的摩擦参数的数值。图6-84所示为针对表面磷化皂化处理后的试验件，进行正挤压、双杯挤压、划痕试验、T形压缩试验四种不同冷挤压试验所获得的摩擦因子。研究结果表明摩擦因子受接触压强和成形过程中新表面生成率的增加而增大。因此，在针对不同金属成形工艺进行仿真计算时，尽量选取相近的新表面生成率及接触压强的摩擦试验进行参数确定。

图6-83 板材成形中摩擦系数的测试方法

a）拉弯试验 b）平板滑动试验

图6-84 四种不同摩擦试验获得的摩擦因子